小學(xué)LOGO語言與機器人“虛實結(jié)合”的程序設(shè)計教學(xué)路徑研究

劉學(xué)忠 趙志興

在小學(xué)的程序設(shè)計教學(xué)中，通常只教學(xué)生運用程序設(shè)計語言本身，由于學(xué)習(xí)形式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣往往不大，學(xué)習(xí)效果不佳。從2014年開始，筆者參與和主持了寧夏第四屆基礎(chǔ)教育課題“小學(xué)信息技術(shù)LOGO語言與機器人教學(xué)整合教學(xué)的探索與實踐”的研究，課題組編寫了《LOGO語言與機器人》實驗教材，開發(fā)了虛擬仿真3D機器人教學(xué)平臺和配套的實體機器人。通過近4年的實踐，探索出了從“LOGO語言基礎(chǔ)”到“虛擬仿真機器人”學(xué)習(xí)再到通過編程控制“實體機器人”的“虛實結(jié)合”的小學(xué)LOGO語言程序設(shè)計教學(xué)路徑。

● 研究設(shè)想與準備

LOGO語言是一種適合小學(xué)生學(xué)習(xí)的程序設(shè)計語言，程序是智能機器人的靈魂，機器人需要用計算機語言編程控制。在小學(xué)階段信息技術(shù)教學(xué)中以機器人的搭建、調(diào)試、運行作為載體，使LOGO語言和機器人教學(xué)有機結(jié)合，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)算法、物理、機械等科學(xué)知識，初步理解程序設(shè)計的思想和方法，培養(yǎng)邏輯思維能力和動手能力，是全面提升小學(xué)生綜合素質(zhì)的有效途徑。

在機器人和LOGO語言整合程序設(shè)計教學(xué)實踐中，程序設(shè)計是否達到預(yù)期的目標可以通過機器人來檢驗，從而使抽象、單調(diào)的程序設(shè)計變得直觀而具體。學(xué)生在搭建機器人、為機器人編寫程序、調(diào)試、運行機器人的過程中，學(xué)到了程序設(shè)計和機器人的原理及運行機制等基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)了創(chuàng)新和動手實踐的能力。

在課題研究過程中課題組提出了“用LOGO語言程序直接控制機器人，使用IRobotQ 3D仿真環(huán)境，進行程序的調(diào)試和修改，然后下載到實物機器人，控制機器人行為”的研究思路，并設(shè)計和研發(fā)了“虛擬仿真機器人+實物機器人”套裝系統(tǒng)，結(jié)合套裝系統(tǒng)編寫了“LOGO語言與機器人”實驗教材。

● LOGO語言與機器人教學(xué)“虛實結(jié)合”的教學(xué)實施

“虛實結(jié)合”的LOGO語言與機器人整合教學(xué)的實施分為：LOGO語言的基礎(chǔ)、虛擬仿真機器人（包括搭建仿真機器人、編寫程序及仿真調(diào)試等）和實體機器人驗證調(diào)試三個環(huán)節(jié)。

為了促進LOGO語言與機器人教學(xué)“虛實結(jié)合”的教學(xué)實施，課題組編寫的“LOGO語言與機器人”實驗教材共10個單元。第1至4單元作為基礎(chǔ)鋪墊，其中1、2單元學(xué)習(xí)LOGO語言的基礎(chǔ)知識，3、4單元學(xué)習(xí)機器人基礎(chǔ)知識并學(xué)會搭建機器人。從第5單元到第9單元，學(xué)生以一名“駕駛員”的身份，在不斷完善自己搭建的“學(xué)習(xí)者號”機器人的基礎(chǔ)上，“駕駛”它完成“安全出站”“精準?？俊薄白袷亟灰?guī)”“魔幻尋寶”等系列任務(wù)，經(jīng)歷將一臺機器逐漸變成智能機器人的過程。第10單元，自我總結(jié)積累的編程經(jīng)驗并過渡到可視化程序設(shè)計，為以后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容安排，學(xué)生通過《第1單元 初識LOGO》和《第2單元 LOGO的過程》的學(xué)習(xí)后對LOGO的語言環(huán)境及運行和調(diào)試就有了基礎(chǔ)性的認識。在掌握了LOGO語言的基礎(chǔ)知識后就可以開展“虛擬仿真機器人”和“實體機器人”的驗證調(diào)試。

IRobotQ 3D仿真平臺提供了與實物機器人（RobokidFR1）匹配的虛擬機器人搭建平臺。機器人是由一個個零部件組裝而成的，在RobokidFR1機器人編輯窗口的模型庫中出現(xiàn)的控制器、驅(qū)動塊、安裝塊、傳感器及其他共5個大類的所有模型也有一一對應(yīng)的實物部件，使仿真平臺學(xué)習(xí)與實物搭建、運行、測試實現(xiàn)了無縫對接，把LOGO語言與機器人教學(xué)的虛實環(huán)境有機地融為一體，使小學(xué)生在潛移默化中學(xué)會了LOGO語言編程和機器人操作的相關(guān)知識。

下面以“安全出站”任務(wù)的三個片段為例說明教學(xué)的實施路徑。

片段一：搭建仿真機器人。

根據(jù)任務(wù)需求，先給出機器人零部件清單（如圖1），學(xué)生將基礎(chǔ)零部件構(gòu)建（組裝）成任務(wù)中的機器人部件。在全冊教材的學(xué)習(xí)中，使用的輪式車形機器人由作為車身的控制器、驅(qū)動裝置、車輪和輔助輪幾個主要部件組成。在學(xué)習(xí)中學(xué)生先構(gòu)建出這些部件，再組裝出輪式車型機器人——“學(xué)習(xí)者號”（如圖2）。

片段二：編寫程序與仿真調(diào)試。

“學(xué)習(xí)者號”機器人的仿真搭建已經(jīng)完成，但是還不能自主完成這個任務(wù)，目前它只是一個沒有“智慧”的機器，需要我們“賦予”它“智慧”。

由于IRobotQ 3D是一個物理仿真環(huán)境，在它的LOGO程序編寫窗口編寫LOGO程序，與教材第1、2單元在LOGO語言編程環(huán)境下編寫的LOGO程序（即過程）有所不同，因為LOGO語言編程環(huán)境是不需要考慮外部物理環(huán)境因素影響的理想化編程環(huán)境，而仿真環(huán)境是對真實物理環(huán)境的模擬，這就需要學(xué)生根據(jù)模擬的實際情況來修正指令，這樣有利于學(xué)生養(yǎng)成理論聯(lián)系實際和提高解決實際問題的綜合能力。

編寫程序與仿真調(diào)試教學(xué)一般分為任務(wù)分析、算法描述（用自然語言表示）（如圖3）、編寫LOGO程序與仿真調(diào)試（如圖4）三個環(huán)節(jié)，通過學(xué)習(xí)有利于學(xué)生編程思維和邏輯思維習(xí)慣的養(yǎng)成。

片段三：實體機器人驗證與調(diào)試。

為“學(xué)習(xí)者號”機器人編寫的程序在仿真環(huán)境測試成功后，就可以將它下載到“學(xué)習(xí)者號”實物機器人的“大腦”——控制器中，使它從一臺普通的“機器”變?yōu)橛小爸腔邸钡臋C器人，然后讓它在真實的場地中“安全出站”。

實體機器人驗證與調(diào)試的組織實施：分小組把數(shù)據(jù)線一端連接至電腦的USB接口上，另一端連接到“學(xué)習(xí)者號”控制器上，向?qū)嵨餀C器人下載LOGO程序，然后在場地上進行調(diào)試。

● “虛實結(jié)合”教學(xué)模式的優(yōu)勢

在“虛實結(jié)合”教學(xué)模式的“搭建仿真機器人”“編寫程序與仿真調(diào)試”教學(xué)環(huán)節(jié)都是依托3D虛擬仿真平臺進行的。利用3D虛擬仿真平臺可以消除外界因素干擾，讓學(xué)生更加專注于LOGO語言與機器人的學(xué)習(xí)，從而有利于提高學(xué)習(xí)的效率。在三維仿真環(huán)境中，學(xué)生可以360度無死角觀察機器人及其組件，使得原來比較抽象的原理和現(xiàn)象變得直觀，同時有利于掌控虛擬機器人的運動狀態(tài)。

在“實體機器人驗證調(diào)試”環(huán)節(jié)，通過對實體機器人的操作可以極大地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生在搭建機器人的過程中對安裝的各種大大小小的傳感器及機器人的各個組件的功能有了較“虛擬平臺”中更加直觀的認識和理解。通過下載自己編寫的程序到實體機器人上進行驗證調(diào)試，學(xué)生能體會到一定的控制感和成功的喜悅，同時對LOGO語言與機器人的原理和工作機制有了更加深刻的理解和認識。

“虛實結(jié)合”的教學(xué)模式與實體競賽或常規(guī)機器人教學(xué)相比在軟硬件方面都有很大的優(yōu)勢。“搭建仿真機器人”和“編寫程序與仿真調(diào)試”環(huán)節(jié)都是在免費的3D虛擬仿真平臺上在線進行的，無需購買軟件和硬件，在計算機上操作簡單易行。從而有效地克服了硬件和場地的制約，極大地降低了小學(xué)機器人教學(xué)的門檻。實體機器人驗證環(huán)節(jié)，對場地的要求也不高，既可以在專門的實驗室進行，也可以利用常規(guī)計算機教室進行，從而因地制宜地構(gòu)建起了基于網(wǎng)絡(luò)的常規(guī)教室LOGO語言和機器人教學(xué)的新環(huán)境。

LOGO語言與機器人教學(xué)“虛實結(jié)合”的教學(xué)路徑，很好地解決了小學(xué)程序設(shè)計教學(xué)中單純學(xué)習(xí)、理解和記憶復(fù)雜的編程語句枯燥乏味的問題，有利于小學(xué)生計算思維、創(chuàng)新思維和運用程序解決實際問題能力的培養(yǎng)，能極大地激發(fā)起小學(xué)生進一步學(xué)習(xí)程序設(shè)計的強烈愿望。